Mange substitusjonsreaksjoner åpner veien for produksjon av en rekke forbindelser som har økonomiske anvendelser. Elektrofil og nukleofil substitusjon spiller en stor rolle i kjemisk vitenskap og industri. I organisk syntese har disse prosessene en rekke funksjoner som bør tas hensyn til.
En rekke kjemiske fenomener. Substitusjonsreaksjoner
Kjemiske endringer forbundet med transformasjon av stoffer utmerker seg ved en rekke funksjoner. De endelige resultatene og termiske effektene kan variere; Noen prosesser går til fullføring, i andre skjer en endring i stoffer, ofte ledsaget av en økning eller reduksjon i graden av oksidasjon. Ved klassifisering kjemiske fenomener Basert på det endelige resultatet blir oppmerksomheten viet til de kvalitative og kvantitative forskjellene mellom reagensene og produktene. Basert på disse egenskapene kan 7 typer kjemiske transformasjoner skilles, inkludert substitusjon, som følger skjemaet: A-B + C A-C + B. En forenklet notasjon av en hel klasse av kjemiske fenomener gir ideen om at blant utgangsstoffene er det en såkalt "angrep" en partikkel som erstatter et atom, ion eller funksjonell gruppe i en reagens. Substitusjonsreaksjonen er karakteristisk for begrensende og
Substitusjonsreaksjoner kan oppstå i form av en dobbel utveksling: A-B + C-E A-C + B-E. En av underartene er fortrengningen av for eksempel kobber med jern fra en løsning av kobbersulfat: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. Den "angripende" partikkelen kan være atomer, ioner eller funksjonelle grupper
Homolytisk substitusjon (radikal, SR)
Med en radikal bruddmekanisme kovalente bindinger et elektronpar som er felles for forskjellige grunnstoffer er proporsjonalt fordelt mellom "fragmentene" av molekylet. Frie radikaler dannes. Dette er ustabile partikler, hvis stabilisering skjer som et resultat av påfølgende transformasjoner. For eksempel, når man produserer etan fra metan, oppstår det frie radikaler som deltar i substitusjonsreaksjonen: CH 4 CH 3. + .N; CH 3. +.CH3 -> C2H5; N. + .N → N2. Homolytisk bindingsspaltning i henhold til substitusjonsmekanismen ovenfor er av kjedenatur. I metan kan H-atomene suksessivt erstattes med klor. Reaksjonen med brom skjer på samme måte, men jod er ikke i stand til å erstatte hydrogen direkte i alkaner, og reagerer for kraftig med dem.
Heterolytisk bindingsbrytende metode
Med den ioniske mekanismen for substitusjonsreaksjoner er elektroner ujevnt fordelt mellom nydannede partikler. Bindingsparet av elektroner går helt til et av "fragmentene", oftest til bindingspartneren som den negative tettheten i det polare molekylet ble forskjøvet mot. Substitusjonsreaksjoner inkluderer dannelse av metylalkohol CH 3 OH. I brommetan CH3Br er spaltningen av molekylet heterolytisk, og de ladede partiklene er stabile. Metyl får en positiv ladning, og brom får en negativ ladning: CH 3 Br → CH 3 + + Br - ; NaOH → Na + + OH-; CH3+ + OH - → CH3OH; Na + + Br - ↔ NaBr.
Elektrofiler og nukleofiler
Partikler som mangler elektroner og kan akseptere dem kalles "elektrofiler". Disse inkluderer karbonatomer koblet til halogener i haloalkaner. Nukleofiler har økt elektrontetthet de "donerer" et elektronpar når de lager en kovalent binding. I substitusjonsreaksjoner blir nukleofiler rike på negative ladninger angrepet av elektronutsultede elektrofiler. Dette fenomenet er assosiert med bevegelsen av et atom eller en annen partikkel - en forlatende gruppe. En annen type substitusjonsreaksjon er angrepet av en elektrofil av en nukleofil. Det er noen ganger vanskelig å skille mellom to prosesser og å tilskrive substitusjon til en eller annen type, siden det er vanskelig å nøyaktig angi hvilket av molekylene som er substratet og hvilket som er reagenset. Vanligvis i slike tilfeller tas følgende faktorer i betraktning:
- arten av den avgående gruppen;
- nukleofil reaktivitet;
- løsningsmidlets natur;
- strukturen til alkyldelen.
Nukleofil substitusjon (SN)
Under interaksjonsprosessen i et organisk molekyl observeres en økning i polarisering. I ligninger er en delvis positiv eller negativ ladning indikert med en bokstav i det greske alfabetet. Bindingspolarisering gjør det mulig å bedømme arten av bruddet og den videre oppførselen til "fragmentene" av molekylet. For eksempel har karbonatomet i jodmetan en delvis positiv ladning og er et elektrofilt senter. Det tiltrekker seg den delen av vanndipolen der oksygen, som har et overskudd av elektroner, befinner seg. Når en elektrofil interagerer med en nukleofil reagens, dannes metanol: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. Nukleofile substitusjonsreaksjoner finner sted med deltakelse av et negativt ladet ion eller molekyl med et fritt elektronpar som ikke er involvert i dannelsen av en kjemisk binding. Den aktive deltakelsen av jodmetan i SN 2-reaksjoner forklares av dens åpenhet for nukleofile angrep og mobiliteten til jod.
Elektrofil substitusjon (SE)
Et organisk molekyl kan inneholde et nukleofilt senter, som er preget av et overskudd av elektrontetthet. Den reagerer med et elektrofilt reagens som mangler negative ladninger. Slike partikler inkluderer atomer med frie orbitaler og molekyler med områder med lav elektrontetthet. B-karbon, som har en "-" ladning, interagerer med den positive delen av vanndipolen - med hydrogen: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. Produktet av denne elektrofile substitusjonsreaksjonen er metan. I heterolytiske reaksjoner samhandler motsatt ladede sentre av organiske molekyler, noe som gjør dem lik ioner i kjemien til uorganiske stoffer. Det bør ikke overses at omdannelsen av organiske forbindelser sjelden er ledsaget av dannelsen av ekte kationer og anioner.
Monomolekylære og bimolekylære reaksjoner
Nukleofil substitusjon er monomolekylær (SN1). Denne mekanismen brukes til å hydrolysere et viktig produkt av organisk syntese - tertiært butylklorid. Det første stadiet er sakte det er assosiert med gradvis dissosiasjon til karboniumkation og kloridanion. Det andre trinnet fortsetter raskere, reaksjonen av karboniumion med vann skjer. erstatte halogenet i alkanen med en hydroksygruppe og oppnå en primær alkohol: (CH 3) 3 C—Cl → (CH 3) 3 C + + Cl - ; (CH 3) 3 C + + H 2 O → (CH 3) 3 C—OH + H+. Ett-trinns hydrolyse av primære og sekundære alkylhalogenider er preget av samtidig ødeleggelse av karbon-halogenbindingen og dannelsen av et C-OH-par. Dette er en nukleofil bimolekylær substitusjon (SN2) mekanisme.
Mekanisme for heterolytisk erstatning
Substitusjonsmekanismen er assosiert med elektronoverføring og dannelsen av mellomkomplekser. Jo raskere reaksjonen skjer, jo lettere oppstår dens karakteristiske mellomprodukter. Ofte går prosessen i flere retninger samtidig. Fordelen går vanligvis til banen som bruker partikler som krever minst energi for dannelsen. For eksempel øker tilstedeværelsen av en dobbeltbinding sannsynligheten for utseendet av et allylisk kation CH2=CH—CH 2+ sammenlignet med CH 3+ ionet. Årsaken ligger i elektrontettheten til multippelbindingen, som påvirker delokaliseringen av den positive ladningen spredt over hele molekylet.
Benzensubstitusjonsreaksjoner
Gruppen preget av elektrofil substitusjon er arenes. Benzenringen er et praktisk mål for elektrofile angrep. Prosessen begynner med bindingspolarisering i den andre reagensen, noe som resulterer i dannelsen av en elektrofil ved siden av elektronskyen til benzenringen. Som et resultat vises et overgangskompleks. Det er ennå ikke en fullstendig forbindelse mellom den elektrofile partikkelen og et av karbonatomene den tiltrekkes av hele den negative ladningen til de "aromatiske seks" elektronene. I det tredje trinnet av prosessen er elektrofilen og ett karbonatom i ringen forbundet med et delt elektronpar (kovalent binding). Men i dette tilfellet blir den "aromatiske seks" ødelagt, noe som er ugunstig fra synspunktet om å oppnå en stabil, stabil energitilstand. Et fenomen som kan kalles "protonejeksjon" er observert. H+ elimineres, og et stabilt kommunikasjonssystem som er karakteristisk for arenes gjenopprettes. Biproduktet inneholder et hydrogenkation fra benzenringen og et anion fra det andre reagenset.
Eksempler på substitusjonsreaksjoner fra organisk kjemi
Alkaner er spesielt preget av en substitusjonsreaksjon. Eksempler på elektrofile og nukleofile transformasjoner kan gis for sykloalkaner og arener. Lignende reaksjoner i molekyler av organiske stoffer oppstår når normale forhold, men oftere - ved oppvarming og i nærvær av katalysatorer. Vanlige og godt studerte prosesser inkluderer elektrofil substitusjon i den aromatiske ringen. De viktigste reaksjonene av denne typen:
- Nitrering av benzen i nærvær av H 2 SO 4 fortsetter i henhold til skjemaet: C 6 H 6 → C 6 H 5 -NO 2.
- Katalytisk halogenering av benzen, spesielt klorering, i henhold til ligningen: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
- Den aromatiske prosessen fortsetter med "rykende" svovelsyre, benzensulfonsyrer dannes.
- Alkylering er erstatning av et hydrogenatom fra benzenringen med en alkyl.
- Acylering – dannelse av ketoner.
- Formylering er erstatning av hydrogen med en CHO-gruppe og dannelse av aldehyder.
Substitusjonsreaksjoner inkluderer reaksjoner i alkaner og cykloalkaner der halogener angriper en tilgjengelig CH-binding. Dannelsen av derivater kan innebære erstatning av ett, to eller alle hydrogenatomer i mettede hydrokarboner og cyklopafiner. Mange av haloalkanene med små molekylvekter brukes i produksjonen av mer komplekse stoffer som tilhører forskjellige klasser. Fremgangen som er oppnådd med å studere mekanismene for substitusjonsreaksjoner har gitt en kraftig drivkraft til utviklingen av synteser basert på alkaner, cyklopafiner, arener og halogenerte hydrokarboner.
Alle kjemiske reaksjoner er ledsaget av brudd av noen bindinger og dannelse av andre. I prinsippet følger organiske reaksjoner de samme lover som uorganiske, men har kvalitativ originalitet.
Mens uorganiske reaksjoner vanligvis involverer ioner, involverer organiske reaksjoner molekyler.
Reaksjoner går mye langsommere, og krever i mange tilfeller en katalysator eller valg av ytre forhold (temperatur, trykk).
I motsetning til uorganiske reaksjoner, som foregår ganske entydig, er de fleste organiske reaksjoner ledsaget av en eller annen rekke bireaksjoner. I dette tilfellet overstiger utbyttet av hovedproduktet ofte ikke 50%, men det hender at utbyttet er enda mindre. Men i noen tilfeller kan reaksjonen foregå kvantitativt, dvs. med 100 % utbytte. På grunn av det faktum at sammensetningen av produkter er tvetydig, brukes kjemiske reaksjonsligninger sjelden i organisk kjemi. Oftest skrives et reaksjonsskjema som gjenspeiler utgangsmaterialene og hovedproduktet av reaksjonen, og i stedet for "="-tegnet mellom høyre og venstre del av skjemaet, brukes "" eller reversibilitetstegnet.
Det er to tilnærminger til klassifisering av organiske reaksjoner: i henhold til arten av kjemiske transformasjoner og i henhold til mekanismene for deres forekomst.
Basert på arten av kjemiske transformasjoner, skilles de ut:
|
Substitusjonsreaksjoner (S - fra det engelske Substitution - substitution) |
Ett atom eller gruppe av atomer erstattes av et annet atom eller gruppe av atomer: |
|
Tilleggsreaksjoner (Annonse - fra engelsk tillegg - tiltredelse) |
Fra to eller flere molekyler dannes ett nytt stoff. Addisjonen skjer som regel gjennom flere bindinger (dobbel, trippel): |
|
Eliminasjonsreaksjoner (E - fra engelsk Elimination - eliminering, fjerning) |
Reaksjoner av hydrokarbonderivater der en funksjonell gruppe elimineres sammen med hydrogenatomer for å danne en -binding (dobbel, trippel): |
|
Omgrupperinger (Rg - fra engelsk Re-grouping - omgruppering) |
Intramolekylære reaksjoner av omfordeling av elektrontetthet og atomer: (Favorsky-omgruppering). |
Klassifisering av organiske reaksjoner i henhold til mekanismen for deres forekomst.
Mekanismen for en kjemisk reaksjon er veien som fører til brudd av en gammel binding og dannelse av en ny.
Det er to mekanismer for å bryte en kovalent binding:
1. Heterolytisk (ionisk). I dette tilfellet blir bindingselektronparet fullstendig overført til et av de bundne atomene:
2. Homolytisk (radikal). Det delte elektronparet brytes i to for å danne to partikler med frie valenser - radikaler:
Arten av henfallsmekanismen bestemmes av typen angripende partikkel (reagens). Det er tre typer reagenser i organisk kjemi.
1. Nukleofile reagenser (N - fra det latinske Nukleofile - som har en affinitet til kjernen).
Partikler (atomer, grupper, nøytrale molekyler) som inneholder overflødig elektrontetthet. De er delt inn i sterk, middels styrke og svak. Styrken til en nukleofil er et relativt konsept, avhengig av reaksjonsbetingelsene (løsningsmiddelpolaritet). I polare løsemidler sterke nukleofiler: , samt nøytrale molekyler med ensomme elektronpar (i ikke-bindende orbitaler). Middels styrke nukleofiler: . Svake nukleofiler: anioner av sterke syrer - samt fenoler og aromatiske aminer.
2. Elektrofile reagenser (E - fra latin Electrophilic - som har en affinitet for elektroner).
Partikler (atomer, grupper, nøytrale molekyler) som bærer en positiv ladning eller en ledig orbital, som et resultat av at de har en affinitet for negativt ladede partikler eller et elektronpar. Til nummeret sterke elektrofiler inkluderer protonet, metallkationer (spesielt flerladede), molekyler med en ledig orbital på ett av atomene (Lewis-syrer), molekyler av oksygenholdige syrer med høye ladninger på det oksiderte atomet ().
Det hender ofte at et molekyl inneholder flere reaksjonssentre av ulik natur - både nukleofile og elektrofile.
3. Radikale (R).
Avhengig av typen reagens og ruten for heterolytisk bindingsspaltning i substratmolekylet, dannes ulike produkter. Dette kan representeres i generell form:
Reaksjoner som oppstår i henhold til slike skjemaer kalles elektrofile substitusjonsreaksjoner (SE), fordi reaksjonen er i hovedsak en fortrengning, og det angripende middelet er en elektrofil art.
Reaksjoner som foregår i henhold til slike skjemaer kalles nukleofile substitusjonsreaksjoner (S N), fordi reaksjonen er i hovedsak en fortrengning, og det angripende middelet er en nukleofil art.
Hvis det angripende middelet er en radikal, fortsetter reaksjonen med en radikal mekanisme.
Når kjemiske reaksjoner oppstår, bryter noen bindinger og andre dannes. Kjemiske reaksjoner er konvensjonelt delt inn i organiske og uorganiske. Organiske reaksjoner anses å være reaksjoner der minst en av reaktantene er en organisk forbindelse som endrer sin molekylære struktur under reaksjonen. Forskjellen mellom organiske reaksjoner og uorganiske er at som regel er molekyler involvert i dem. Hastigheten av slike reaksjoner er lav, og produktutbyttet er vanligvis bare 50-80%. For å øke reaksjonshastigheten brukes katalysatorer og temperaturen eller trykket økes. Deretter vil vi vurdere typene kjemiske reaksjoner i organisk kjemi.
Klassifisering etter arten av kjemiske transformasjoner
- Substitusjonsreaksjoner
- Tilleggsreaksjoner
- Isomeriseringsreaksjon og omorganisering
- Oksidasjonsreaksjoner
- Nedbrytningsreaksjoner
Substitusjonsreaksjoner
Under substitusjonsreaksjoner erstattes ett atom eller en gruppe atomer i det opprinnelige molekylet med andre atomer eller grupper av atomer, og danner et nytt molekyl. Som regel er slike reaksjoner karakteristiske for mettede og aromatiske hydrokarboner, for eksempel:
Tilleggsreaksjoner
Når addisjonsreaksjoner oppstår, dannes ett molekyl av en ny forbindelse fra to eller flere molekyler av stoffer. Slike reaksjoner er typiske for umettede forbindelser. Det er reaksjoner av hydrogenering (reduksjon), halogenering, hydrohalogenering, hydratisering, polymerisering, etc.:
- Hydrogenering- tillegg av et hydrogenmolekyl:
Eliminasjonsreaksjon
Som et resultat av eliminasjonsreaksjoner mister organiske molekyler atomer eller grupper av atomer, og det dannes et nytt stoff som inneholder en eller flere multiple bindinger. Eliminasjonsreaksjoner inkluderer reaksjoner dehydrogenering, dehydrering, dehydrohalogenering og så videre.:
Isomeriseringsreaksjoner og omorganisering
Under slike reaksjoner skjer det intramolekylær omorganisering, dvs. overgangen av atomer eller grupper av atomer fra en del av molekylet til en annen uten å endre molekylformelen til stoffet som deltar i reaksjonen, for eksempel: 
Oksidasjonsreaksjoner
Som et resultat av eksponering for et oksiderende reagens øker oksidasjonstilstanden til karbon i et organisk atom, molekyl eller ion på grunn av tap av elektroner, noe som resulterer i dannelsen av en ny forbindelse: 
Kondensasjons- og polykondensasjonsreaksjoner
Består i samspillet mellom flere (to eller flere) organiske forbindelser med dannelse av nye C-C tilkoblinger og lavmolekylære forbindelser:
Polykondensasjon er dannelsen av et polymermolekyl fra monomerer som inneholder funksjonelle grupper med frigjøring av en lavmolekylær forbindelse. I motsetning til polymerisasjonsreaksjoner, som resulterer i dannelsen av en polymer som har en sammensetning som ligner monomeren, som et resultat av polykondensasjonsreaksjoner, skiller sammensetningen av den resulterende polymer seg fra monomeren:
Nedbrytningsreaksjoner
Dette er prosessen med å bryte ned en kompleks organisk forbindelse til mindre komplekse eller enkle stoffer:
C18H38 → C9H18 + C9H20
Klassifisering av kjemiske reaksjoner etter mekanismer
Forekomsten av reaksjoner med brudd av kovalente bindinger i organiske forbindelser muligens ved to mekanismer (dvs. en vei som fører til brudd av en gammel binding og dannelse av en ny) - heterolytisk (ionisk) og homolytisk (radikal).
Heterolytisk (ionisk) mekanisme
I reaksjoner som går i henhold til den heterolytiske mekanismen, dannes mellompartikler av den ioniske typen med et ladet karbonatom. Partikler som har en positiv ladning kalles karbokasjoner, og negative kalles karbonioner. I dette tilfellet er det ikke bruddet av det vanlige elektronparet som skjer, men overgangen til et av atomene, med dannelsen av et ion: 
Sterkt polare, for eksempel H–O, C–O, og lett polariserbare, for eksempel C–Br, C–I-bindinger viser en tendens til heterolytisk spaltning.
Reaksjoner som foregår i henhold til den heterolytiske mekanismen er delt inn i nukleofile og elektrofil reaksjoner. Et reagens som har et elektronpar for å danne en binding kalles nukleofil eller elektrondonerende. For eksempel HO-, RO-, Cl-, RCOO-, CN-, R-, NH2, H2O, NH3, C2H5OH, alkener, arener.
Et reagens som har et ufylt elektronskall og er i stand til å feste et elektronpar i prosessen med å danne en ny binding. Følgende kationer kalles elektrofile reagenser: H +, R 3 C +, AlCl 3, ZnCl 2, SO 3. , BF3, R-Cl, R2C=O
Nukleofile substitusjonsreaksjoner
Karakteristisk for alkyl- og arylhalogenider: 
Nukleofile addisjonsreaksjoner 
Elektrofile substitusjonsreaksjoner
Elektrofile addisjonsreaksjoner 
Homolytisk (radikal mekanisme)
I reaksjoner som går i henhold til den homolytiske (radikale) mekanismen, brytes den kovalente bindingen i det første trinnet med dannelsen av radikaler. Det resulterende frie radikalet fungerer deretter som et angripende reagens. Bindingsspalting ved hjelp av en radikal mekanisme er typisk for ikke-polare eller lavpolare kovalente bindinger (C–C, N–N, C–H).
Skille mellom radikal substitusjon og radikal addisjonsreaksjoner
Radikale fortrengningsreaksjoner
Karakteristisk for alkaner 
Radikale addisjonsreaksjoner
Karakteristisk for alkener og alkyner 
Dermed undersøkte vi hovedtypene av kjemiske reaksjoner i organisk kjemi
Kategorier ,Typer kjemiske reaksjoner i uorganisk og organisk kjemi.
1. En kjemisk reaksjon er en prosess der andre stoffer dannes fra ett stoff. Avhengig av prosessens art skilles typer kjemiske reaksjoner ut.
1)I henhold til det endelige resultatet
2) Basert på frigjøring eller absorpsjon av varme
3) Basert på reaksjonens reversibilitet
4) Basert på endringer i oksidasjonstilstanden til atomene som utgjør de reagerende stoffene
I henhold til det endelige resultatet er reaksjonene av følgende typer:
A) Substitusjon: RH+Cl2 →RCl+HCl
B) Tiltredelse: CH 2 = CH 2 + Cl 2 → CH 2 Cl-CH 2 Cl
B) Eliminering: CH 3 -CH 2 OH → CH 2 = CH 2 + H 2 O
D) Dekomponering: CH4 →C+2H2
D) Isomerisering
E) Bytte
G) Tilkoblinger
Nedbrytningsreaksjon er en prosess der to eller flere andre dannes fra ett stoff.
Utvekslingsreaksjon er en prosess der reagerende stoffer utveksler sine bestanddeler.
Substitusjonsreaksjoner fortsett med deltakelse av enkle og komplekst stoff, som et resultat dannes nye enkle og komplekse stoffer.
Som et resultat sammensatte reaksjoner fra to eller flere stoffer dannes en ny.
Basert på frigjøring eller absorpsjon av varme, er reaksjoner av følgende typer:
A) Eksotermisk
B) Endotermisk
Eksotermisk – Dette er reaksjoner som oppstår ved frigjøring av varme.
Endotermisk- dette er reaksjoner som oppstår med absorpsjon av varme fra omgivelsene.
Basert på reversibilitet er reaksjonene av følgende typer:
A) Reversibel
B) Irreversibel
Reaksjoner som bare går i én retning og ender med fullstendig omdannelse av de opprinnelige reaktantene til de endelige stoffene kalles irreversible.
Vendbar Reaksjoner som oppstår samtidig i to innbyrdes motsatte retninger kalles.
Basert på endringer i oksidasjonstilstanden til atomene som utgjør de reagerende stoffene, er reaksjoner av følgende typer:
A) Redoks
Reaksjoner som oppstår med en endring i oksidasjonstilstanden til atomer (hvor elektroner overføres fra ett atom, molekyl eller ion til et annet) kalles redoks.
2. I henhold til reaksjonsmekanismen er reaksjoner delt inn i ioniske og radikale.
Ioniske reaksjoner– interaksjon mellom ioner som et resultat av heterolytisk brudd på en kjemisk binding (et elektronpar går helt til et av "fragmentene").
Ionereaksjoner er av to typer (basert på typen reagens):
A) elektrofil - under en reaksjon med en elektrofil.
Elektrofil- en gruppe som har frie orbitaler eller sentre med redusert elektrontetthet i noen atomer (for eksempel: H +, Cl - eller AlCl 3)
B) Nukleofil - under interaksjon med en nukleofil
Nukleofil – et negativt ladet ion eller molekyl med et ensomt elektronpar (ikke for øyeblikket involvert i dannelsen av en kjemisk binding).
(Eksempler: F - , Cl - , RO - , I -).
Virkelige kjemiske prosesser kan bare sjelden beskrives med enkle mekanismer. En detaljert undersøkelse av kjemiske prosesser fra et molekylært kinetisk synspunkt viser at de fleste av dem fortsetter langs en radikal kjedemekanisme. Det særegne ved kjedereaksjoner er dannelsen av frie radikaler i mellomstadier (ustabile fragmenter av molekyler eller atomer med kort levetid; , alle har gratis kommunikasjon.
Prosessene med forbrenning, eksplosjon, oksidasjon, fotokjemiske reaksjoner og biokjemiske reaksjoner i levende organismer foregår gjennom en kjedemekanisme.
Kjedesystemer har flere stadier:
1) kjedekjernedannelse - stadiet av kjedereaksjoner, som et resultat av hvilke frie radikaler oppstår fra valensmettede molekyler.
2) fortsettelse av kjeden - trinnet i kretskjeden, fortsetter mens det totale antallet frie trinn opprettholdes.
3) kjedebrudd - det elementære stadiet i en kjede av prosesser som fører til forsvinningen av frie bindinger.
Det er forgrenede og uforgrenede kjedereaksjoner.
Et av de viktigste konseptene i kjeden er kjedelengde- gjennomsnittlig antall elementære stadier av kjedefortsettelse etter utseendet av en fri radikal til den forsvinner.
Eksempel: Hydrogenkloridsyntese
1) CL 2 absorberer et kvantum av energi og bildet av radikal 2: CL 2 +hv=CL * +CL *
2) den aktive partikkelen kombineres med m-molekylet H 2 for å danne hydrogenklorid og den aktive partikkelen H 2: CL 1 + H 2 = HCL + H *
3) CL 1 + H 2 = HCL + CL * osv.
6)H * +CL * =HCL - åpen krets.
Forgrenet mekanisme:
F * +H2 =HF+H * osv.
F * +H2 =HF+H * osv.
I vann er det mer komplisert - OH*, O*-radikaler og H*-radikaler dannes.
Reaksjoner som oppstår under påvirkning av ioniserende stråling: Røntgenstråler, katodestråler og så videre - kalles radiokjemiske.
Som et resultat av samspillet mellom molekyler og stråling, observeres desintegrasjonen av molekyler med dannelsen av de mest reaktive partiklene.
Slike reaksjoner fremmer rekombinasjonen av partikler og dannelsen av stoffer med forskjellige kombinasjoner av dem.
Et eksempel er hydrazin N 2 H 4 - en komponent i rakettdrivstoff. Nylig har det blitt gjort forsøk på å få hydrazin fra ammoniakk som følge av eksponering for γ-stråler:
NH 3 → NH 2 * + H*
2NH2*→ N2H4
Radiokjemiske reaksjoner, for eksempel radiolyse av vann, er viktige for organismers liv.
Litteratur:
1. Akhmetov, N.S. Generell og uorganisk kjemi / N.S. Akhmetov. – 3. utg. – M.: forskerskolen, 2000. – 743 s.
- Korovin N.V. Generell kjemi / N.V. Korovin. – M.: Videregående skole, 2006. – 557 s.
- Kuzmenko N.E. Kort kurs kjemi / N.E. Kuzmenko, V.V. Eremin, V.A. Popkov. – M.: Videregående skole, 2002. – 415 s.
- Zaitsev, O.S. Generell kjemi. Struktur av stoffer og kjemiske reaksjoner / O.S. Zaitsev. – M.: Kjemi, 1990.
- Karapetyants, M.Kh. Stoffets struktur / M.Kh. Karapetyants, S.I. Drakin. – M.: Videregående skole, 1981.
- Cotton F. Fundamentals of uorganisk kjemi / F. Cotton, J. Wilkinson. – M.: Mir, 1981.
- Ugay, Ya.A. Generell og uorganisk kjemi / Ya.A.Ugai. – M.: Videregående skole, 1997.
Vedlegg 1
REAKSJONSMEKANISMER I ORGANISK KJEMI
N.V.Sviridenkova, NUST MISIS, Moskva
HVORFOR STUDERE MEKANISMENE FOR KJEMISKE REAKSJONER?
Hva er mekanismen for en kjemisk reaksjon? For å svare på dette spørsmålet, vurder ligningen for forbrenningsreaksjonen til buten:
C 4 H 8 + 6O 2 = 4CO 2 + 4H 2 O.
Hvis reaksjonen faktisk gikk som beskrevet i ligningen, ville ett molekyl buten måtte kollidere med seks oksygenmolekyler samtidig. Det er imidlertid lite sannsynlig at dette skjer: det er kjent at samtidig kollisjon av mer enn tre partikler er nesten umulig. Konklusjonen tyder på at denne reaksjonen, i likhet med de aller fleste kjemiske reaksjoner, skjer i flere påfølgende stadier. Reaksjonsligningen viser bare utgangsmaterialene og det endelige resultatet av alle transformasjoner, og forklarer ikke på noen måte hvordan produkter dannes av utgangsstoffer. For å finne ut nøyaktig hvordan reaksjonen fortsetter, hvilke stadier den inkluderer, hvilke mellomprodukter som dannes, er det nødvendig å vurdere reaksjonsmekanismen.
Så, reaksjonsmekanisme- Dette Detaljert beskrivelse forløpet av en reaksjon i trinn, som viser i hvilken rekkefølge og hvordan kjemiske bindinger i de reagerende molekylene brytes og nye bindinger og molekyler dannes.
Hensyn til mekanismen gjør det mulig å forklare hvorfor noen reaksjoner er ledsaget av dannelsen av flere produkter, mens det i andre reaksjoner kun dannes ett stoff. Å kjenne mekanismen gjør at kjemikere kan forutsi produktene av kjemiske reaksjoner før de faktisk utføres. Til slutt, når du kjenner reaksjonsmekanismen, kan du kontrollere reaksjonsforløpet: skape forhold for å øke hastigheten og øke utbyttet av det ønskede produktet.
GRUNNLEGGENDE KONSEPT: ELEKTROFIL, NUKLEOFIL, KARBOKASJON
I organisk kjemi er reagenser tradisjonelt delt inn i tre typer: nukleofil, elektrofil Og radikal. Du har allerede møtt radikaler tidligere når du studerer halogeneringsreaksjonene til alkaner. La oss se nærmere på andre typer reagenser.
Nukleofile reagenser eller rett og slett nukleofiler(oversatt fra gresk som "kjerneelskere") er partikler med overflødig elektrontetthet, oftest negativt ladet eller som har et ensomt elektronpar. Nukleofiler angriper molekyler med lav elektrontetthet eller positivt ladede reagenser. Eksempler på nukleofiler er OH - , Br - ioner, NH 3 molekyler.
Elektrofile reagenser eller elektrofiler(oversatt fra gresk som "elektronelskere") er partikler med mangel på elektrontetthet. Elektrofiler har ofte en positiv ladning. Elektrofiler angriper molekyler med høy elektrontetthet eller negativt ladede reagenser. Eksempler på elektrofiler er H+, NO 2+.
Et atom i et polart molekyl som bærer en delvis positiv ladning kan også fungere som en elektrofil. Et eksempel er hydrogenatomet i HBr-molekylet, hvor det oppstår en delvis positiv ladning på grunn av forskyvningen av det felles elektronbindingsparet til bromatomet, som har en høyere elektronegativitetsverdi H δ + → Br δ - .
Reaksjoner som går gjennom den ioniske mekanismen er ofte ledsaget av dannelsen av karbokasjoner. Karbokasjon kalt en ladet partikkel som har en fri R-orbital på karbonatomet. Et av karbonatomene i karbokationen har en positiv ladning. Eksempler på karbokationer inkluderer partikler CH3-CH2+, CH3-CH+-CH3. Karbokasjoner dannes på et av stadiene i reaksjonene med tilsetning av halogener til alkener og hydrogenhalogenider til alkener, så vel som i substitusjonsreaksjoner som involverer aromatiske hydrokarboner.
MEKANISME FOR TILSETNING TIL UMETTE HYDROKARBONER
Tilsetningen av halogener, hydrogenhalogenider og vann til umettede hydrokarboner (alkener, alkyner, dienhydrokarboner) skjer gjennom ionisk mekanisme, kalt elektrofil tilsetning.
La oss vurdere denne mekanismen ved å bruke eksempelet på reaksjonen av tilsetning av hydrogenbromid til et etylenmolekyl.
Til tross for at hydrobromeringsreaksjonen er beskrevet av en veldig enkel ligning, inkluderer dens mekanisme flere stadier.
1. stadie. I det første trinnet dannes et hydrogenhalogenidmolekyl med π -elektronsky av ustabilt dobbeltbindingssystem – " π -kompleks” på grunn av delvis overføring π -elektrontetthet per hydrogenatom som bærer en delvis positiv ladning.
Trinn 2. Hydrogen-halogenbindingen brytes for å danne en elektrofil H + partikkel og en nukleofil Br - partikkel. Den frigjorte elektrofilen H+ legger seg til alkenen på grunn av elektronparet til dobbeltbindingen, og danner σ
-kompleks - karbokasjon.
Trinn 3. På dette stadiet tilsettes en negativt ladet nukleofil til det positivt ladede karbokasjonen for å danne det endelige reaksjonsproduktet.
HVORFOR FØLGER MARKOVNIKOVS REGEL?
Den foreslåtte mekanismen forklarer godt dannelsen av hovedsakelig ett av produktene ved tilsetning av hydrogenhalogenider til usymmetriske alkener. La oss huske at tilsetningen av hydrogenhalogenider følger Markovnikovs regel, ifølge hvilken hydrogen tilsettes på stedet for dobbeltbindingen til det mest hydrogenerte karbonatomet (dvs. assosiert med det største antallet hydrogenatomer), og halogen til det minst hydrogenerte. For eksempel, når hydrogenbromid tilsettes til propen, dannes hovedsakelig 2-brompropan:
I elektrofile addisjonsreaksjoner til usymmetriske alkener kan to karbokasjoner dannes i det andre trinnet av reaksjonen. Deretter reagerer den med en nukleofil, noe som betyr at de mer stabile av dem vil bestemme reaksjonsproduktet.
La oss vurdere hvilke karbokasjoner som dannes når det gjelder propen og sammenligne deres stabilitet. Tilsetning av et H+ proton på stedet for en dobbeltbinding kan føre til dannelse av to karbokasjoner, sekundære og primære:
De resulterende partiklene er svært ustabile fordi det positivt ladede karbonatomet i karbokatet har en ustabil elektronisk konfigurasjon. Slike partikler stabiliseres ved å fordele (delokalisere) ladningen over så mange atomer som mulig. Elektrondonor alkylgrupper, som tilfører elektrontetthet til det elektronmangelfulle karbonatomet, fremmer og stabiliserer karbokasjoner. La oss se på hvordan dette skjer.
På grunn av forskjellen i elektronegativitet til karbon- og hydrogenatomene, vises et visst overskudd av elektrontetthet på karbonatomet til -CH 3-gruppen, og en viss mangel vises på hydrogenatomet, C δ- H 3 δ+. Tilstedeværelsen av en slik gruppe ved siden av et karbonatom som bærer en positiv ladning forårsaker uunngåelig et skifte i elektrontettheten mot den positive ladningen. Dermed fungerer metylgruppen som en donor, og gir bort en del av elektrontettheten. En slik gruppe sies å ha positiv induktiv effekt (+ Jeg -effekt). Jo flere slike elektrondonor (+ Jeg ) - substituentene er omgitt av et karbon som har en positiv ladning, jo mer stabilt er det tilsvarende karbokatet. Dermed øker stabiliteten til karbokasjoner i serien:
Når det gjelder propen, er den mest stabile den sekundære karbokationen, siden det positivt ladede karbonatomet i karbokasjonen stabiliseres med to + Jeg - effekter av nærliggende metylgrupper. Det dannes hovedsakelig og reagerer videre. Den ustabile primære karbokasjonen eksisterer tilsynelatende i veldig kort tid, slik at den i løpet av "livet" ikke har tid til å feste en nukleofil og danne et reaksjonsprodukt.
Når bromidionet tilsettes det sekundære karbokatet på siste trinn, dannes 2-brompropan:
FØLGER MARKOVNIKOVS REGEL ALLTID?
Ved å vurdere mekanismen for pkan vi formulere en generell regel for elektrofil tilsetning: "når usymmetriske alkener interagerer med elektrofile reagenser, fortsetter reaksjonen gjennom dannelsen av den mest stabile karbokasjonen." Den samme regelen gjør det mulig å forklare dannelsen i noen tilfeller av tilleggsprodukter i strid med Markovnikovs regel. Dermed fortsetter tilsetningen av hydrogenhalogenider til trifluorpropylen formelt mot Markovnikovs regel:
Hvordan kan et slikt produkt oppnås, siden det ble dannet som et resultat av tilsetningen av Br til den primære, og ikke til den sekundære, karbokasjonen? Motsetningen løses enkelt ved å vurdere reaksjonsmekanismen og sammenligne stabiliteten til de dannede mellompartiklene:
-CF 3-gruppen inneholder tre elektrontrekkende fluoratomer, som trekker elektrontetthet fra karbonatomet. Derfor vises en betydelig mangel på elektrontetthet på karbonatomet. For å kompensere for den resulterende delvise positive ladningen, absorberer karbonatomet elektrontettheten til nabokarbonatomer. Dermed er -CF3-gruppen elektron-tilbaketrekkende og viser negativ induktiv effekt (- Jeg ) . I dette tilfellet viser den primære karbokasjonen seg å være mer stabil, siden den destabiliserende effekten av -CF 3-gruppen gjennom to σ-bindinger er svekket. Og det sekundære karbokatet, destabilisert av den tilstøtende elektrontiltrekkende gruppen CF3, dannes praktisk talt ikke.
Tilstedeværelsen av elektrontiltrekkende grupper –NO2, -COOH, -COH, etc. ved dobbeltbindingen har en lignende effekt på addisjon. I dette tilfellet er tilleggsproduktet også dannet formelt mot Markovnikov-regelen. For eksempel, når hydrogenklorid tilsettes propensyre (akrylsyre), dannes det hovedsakelig 3-klorpropansyre:
Således kan tilsetningsretningen til umettede hydrokarboner lett bestemmes ved å analysere strukturen til hydrokarbonet. Kort fortalt kan dette gjenspeiles i følgende diagram:
Det skal bemerkes at Markovnikovs regel er tilfredsstilt bare hvis reaksjonen fortsetter ved den ioniske mekanismen. Når man utfører radikale reaksjoner, er Markovnikovs regel ikke tilfredsstilt. Dermed fortsetter tilsetningen av hydrogenbromid HBr i nærvær av peroksider (H 2 O 2 eller organiske peroksider) mot Markovnikovs regel:
Tilsetning av peroksider endrer reaksjonsmekanismen, den blir radikal. Dette eksemplet viser hvor viktig det er å kjenne til reaksjonsmekanismen og forholdene den oppstår under. Deretter, ved å velge passende forhold for reaksjonen, kan du styre den i henhold til mekanismen som kreves i dette spesielle tilfellet, og få nøyaktig de produktene som trengs.
MEKANISME FOR HYDROGENATOMER I AROMATISKE HYDROKARBONER
Tilstedeværelsen av et stabilt konjugat i benzenmolekylet π
-elektronisk system gjør addisjonsreaksjoner nesten umulige. For benzen og dets derivater er de mest typiske reaksjonene substitusjon av hydrogenatomer, som skjer mens aromatisiteten opprettholdes. I dette tilfellet inneholder benzenringen π-
elektroner samhandler med elektrofile partikler. Slike reaksjoner kalles elektrofile substitusjonsreaksjoner i den aromatiske serien. Disse inkluderer for eksempel halogenering, nitrering og alkylering av benzen og dets derivater.
Alle elektrofile substitusjonsreaksjoner i aromatiske hydrokarboner følger samme vei ionisk mekanisme uavhengig av reagensets art. Mekanismen for substitusjonsreaksjoner inkluderer flere stadier: dannelsen av et elektrofilt middel E +, dannelsen π -komplekst, altså σ- kompleks og til slutt oppløsning σ- kompleks for å danne et substitusjonsprodukt.
En elektrofil E+-partikkel dannes når et reagens interagerer med en katalysator, for eksempel når et halogenmolekyl blir utsatt for aluminiumklorid. Den resulterende E+-partikkelen interagerer med den aromatiske ringen og dannes først π -, og så σ- kompleks:
Under utdanning σ- kompleks, fester den elektrofile partikkelen E + til et av karbonatomene i benzenringen gjennom σ- kommunikasjon. I den resulterende karbokasjonen er den positive ladningen jevnt fordelt (delokalisert) mellom de resterende fem karbonatomene.
Reaksjonen ender med fjerning av et proton fra σ- kompleks. I dette tilfellet to elektroner σ -CH-bindinger går tilbake til syklusen, og en stabil seks-elektron aromatisk π -systemet er regenerert.
I et benzenmolekyl er alle seks karbonatomer like. Utskifting av et hydrogenatom kan skje med lik sannsynlighet for noen av dem. Hvordan vil substitusjon skje når det gjelder benzenhomologer? La oss ta metylbenzen (toluen) som et eksempel.
Det er kjent fra eksperimentelle data at elektrofil substitusjon når det gjelder toluen alltid skjer ved dannelse av to produkter. Således skjer nitreringen av toluen med dannelsen P-nitrotoluen og O-nitrotoluen:
Andre elektrofile substitusjonsreaksjoner (bromering, alkylering) forløper på samme måte. Det ble også funnet at når det gjelder toluen, skjer substitusjonsreaksjoner raskere og under mildere forhold enn når det gjelder benzen.
Det er veldig enkelt å forklare disse fakta. Metylgruppen er elektrondonerende og øker som et resultat ytterligere elektrontettheten til benzenringen. En spesielt sterk økning i elektrontetthet skjer i O- Og P- posisjoner i forhold til -CH3-gruppen, noe som letter bindingen av en positivt ladet elektrofil partikkel til disse stedene. Derfor øker hastigheten på substitusjonsreaksjonen generelt, og substituenten er hovedsakelig rettet mot orto- Og par- bestemmelser.
